激光加工技術(shù)擁有普通加工技術(shù)所不能比擬的優(yōu)勢(shì)：激光與工件之間沒(méi)有力的加工作用，具有無(wú)接觸删广，熱影響小的特點(diǎn)偎旱；激光光束易于導(dǎo)向、聚焦团尿，可以實(shí)現(xiàn)柔性加工瓦轧，加工過(guò)程易于控制和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；激光束能量密度高袭澎，加工速度快够堆，加工生產(chǎn)效率高，節(jié)約能源鞭眠；整個(gè)激光加工過(guò)程清潔無(wú)污染吩秫，是一種綠色環(huán)保的加工技術(shù)。

激光加工技術(shù)所具有的優(yōu)勢(shì)使其在汽車(chē)制造抑希、航天：航空嘲绷、造船把赢、電子、化工耽效、包裝钝尸、醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)均具有很好的應(yīng)用前景。僅以汽車(chē)行業(yè)為例搂根，激光切割和焊接技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外主要汽車(chē)廠(chǎng)商的常規(guī)加工手段珍促。在歐美工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家中，有50％～70％的汽車(chē)零部件都是采用激光加工來(lái)完成的兄墅。相比而言踢星，在造船工業(yè)中，由于船用鋼板的厚度和尺寸較大隙咸，采用激光加工具有一定的難度沐悦，激光技術(shù)的應(yīng)用步伐也較為緩慢。近些年來(lái)五督，隨著激光切割藏否、激光焊接以及激光成形等激光加工技術(shù)的快速發(fā)展，歐美及日本主要的大型船廠(chǎng)已大量采用了激光加工技術(shù)充包，國(guó)內(nèi)船廠(chǎng)也已開(kāi)始了激光加工技術(shù)的引進(jìn)副签。因此，了解船用鋼板激光加工技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用狀況基矮，對(duì)于船用鋼板的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和為客戶(hù)提供相應(yīng)的技術(shù)支持具有非常重要的意義淆储。本文對(duì)船用鋼板激光加工技術(shù)的3個(gè)主要方面的發(fā)展及應(yīng)用情況進(jìn)行分析討論。

1 船用鋼板激光切割技術(shù)

激光切割(Laser Cutting)技術(shù)是船用鋼板加工中使用最多的激光加工技術(shù)熬慎。激光切割的原理如圖1所示恍像，將連續(xù)或者脈沖方式輸出的激光通過(guò)聚焦鏡投射到工件表面，使聚焦光斑達(dá)到很高的功率密度(超過(guò)1000000W／cm^2)鳖建，這時(shí)光束輸入的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)被材料反射常携、傳導(dǎo)或擴(kuò)散的部分，材料很快被加熱至氣化溫度淌窄，蒸發(fā)形成非常狹小的孔洞础呈。隨著光束與材料相對(duì)線(xiàn)性移動(dòng)，材料蒸發(fā)形成的孔洞連續(xù)移動(dòng)形成寬度很窄的切縫权炫。激光切割過(guò)程中一般使用輔助氣體(比如Ar矛枚、N2)，輔助氣體的主要功能是利用高速氣流將切割過(guò)程中孔洞周?chē)娜廴诓牧蠌目锥粗写党鏊昵摇Ｔ阡摪宓募す馇懈钪邢跫裕ǔ２捎醚鯕庾鳛檩o助氣體，氧氣除了對(duì)切口產(chǎn)生沖刷作用之外琢窗，還可以在激光作用下與材料發(fā)生強(qiáng)烈的氧化反應(yīng)焙蹭，放出大量的熱，為后續(xù)的切割過(guò)程提供熱量嫂伞。由于激光切割時(shí)光斑的直徑很小(0.1～0.5 mm)孔厉，因此形成的切縫非常窄，切口的粗糙度低帖努、精度高撰豺，一般不需要再進(jìn)行后續(xù)加工。

圖1 激光切割技術(shù)原理示意圖

在傳統(tǒng)造船工業(yè)中，鋼板切割的常用技術(shù)是高速氧-火焰切割技術(shù)和等離子弧切割技術(shù)，其中高速氧-火焰切割技術(shù)存在切割速度慢仙尔、切割熱變形大以及切割精度差等缺點(diǎn)蓄盘，隨著造船要求的不斷提高已經(jīng)逐漸被淘汰。而與等離子弧切割技術(shù)相比凰番，激光切割技術(shù)具有更高的切割精度，對(duì)環(huán)境的污染小，切割過(guò)程對(duì)材料的損耗小稼钩，并且更容易實(shí)現(xiàn)無(wú)人監(jiān)視切割，因而更加符合現(xiàn)代造船工業(yè)的要求达罗。自20世紀(jì)90年代初期開(kāi)始猛糯，歐美和日本各大主要船廠(chǎng)開(kāi)始使用激光切割設(shè)備，比如：英國(guó)的Vosper Thornyeroft船廠(chǎng)以及日本的川崎重工等造船企業(yè)率先安裝和使用了激光切割系統(tǒng)放干；美國(guó)的Bender船廠(chǎng)也在鋼板切割中大量采用了激光切割技術(shù)轨府。

早期的激光切割系統(tǒng)對(duì)激光器功率的依賴(lài)性較大，受激光器功率的限制闹彩，切割板材的厚度一般在12~15 mm以?xún)?nèi)座序。20世紀(jì)90年代末期，Bender船廠(chǎng)與BOC以及Alabama Laser公司合作坚达，共同開(kāi)發(fā)了一種激光切割的新技術(shù)LASOX(圖2)(Laser Assisted Oxygen Cutting)辅蜡。這種新技術(shù)是在普通氧氣助熔激光切割工藝的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)特定的切割噴嘴鹦卫，使達(dá)到音速的高壓氧氣與激光束一起作用在工件表面迅撑。在激光束的加熱作用下，高壓氧氣與鋼材發(fā)生劇烈的燃燒反應(yīng)沥萄，提供切割所需要的能量驼功。與傳統(tǒng)激光切割中激光能量占主導(dǎo)地位不同，LASOX工藝中氧氣與鋼材燃燒反應(yīng)釋放的熱量在切割中起到主導(dǎo)作用冒窍。這種方法結(jié)合了氧-火焰切割和激光切割的優(yōu)點(diǎn)递沪，在不提高激光功率的條件下大大增加切割鋼板的厚度，并顯著提高切割速度综液。Bender船廠(chǎng)采用該項(xiàng)技術(shù)在2kW的激光功率下成功切割了51mm厚的鋼板款慨，切縫幾乎無(wú)錐度儒飒，無(wú)掛渣，且熱影響區(qū)小檩奠，該項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人Patrick Cahill稱(chēng)LASOX技術(shù)有切割100 mm厚鋼板的潛力桩了。目前Bender船廠(chǎng)已經(jīng)建成了45 m長(zhǎng)的激光切割平臺(tái)，可以同時(shí)切割3塊15 m長(zhǎng)的鋼板埠戳。LASOX技術(shù)的開(kāi)發(fā)成功井誉，標(biāo)志著激光切割技術(shù)在切割厚鋼板方面具備了超越等離子切割技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，這使得激光切割技術(shù)在船用鋼板的切割領(lǐng)域?qū)⒕哂懈訌V闊的應(yīng)用前景整胃。

圖2 BOC開(kāi)發(fā)的LASOX技術(shù)

2 船用鋼板激光焊接技術(shù)

激光焊接(Laser Welding)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)颗圣，其中最有代表性的是激光深熔焊技術(shù)。激光深熔焊的原理如圖3所示屁使，當(dāng)足夠高功率密度的激光束作用在材料表面時(shí)在岂，會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)使材料蒸發(fā)形成狹長(zhǎng)的小孔，這種充滿(mǎn)蒸汽的小孔相當(dāng)于“黑洞”叮褐，激光在小孔內(nèi)部反射称桶，能量被小孔完全吸收，使得小孔周?chē)牟牧峡焖偃刍怀＃鼑谛】字芡陡ΑｋS著激光束的移動(dòng)，小孔也向前移動(dòng)贿魄，小孔移開(kāi)之后留下的熔融材料不斷凝固胎拥，最終形成焊縫。激光深熔焊技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：焊接速度快秕颖，焊接過(guò)程的熱輸入量小角术，焊縫的深寬比大，熱影響區(qū)小疚函，焊后材料變形小持结。

圖3 激光深熔焊技術(shù)原理示意圖

在造船工業(yè)中使用最多的材料是3~12 mm厚的鋼板，這些板材的焊接構(gòu)件由于焊接過(guò)程中較大的熱輸人而發(fā)生翹曲和變形是傳統(tǒng)造船方法中所面臨的主要問(wèn)題枕厅，需要花費(fèi)大量的工作來(lái)進(jìn)行焊后鋼板的矯直和平整(約占整個(gè)工作的30％)惋粟。激光焊接技術(shù)可以有效地避免焊接中的鋼板或構(gòu)件變形，提高焊接工作的效率洲鸠，因而從20世紀(jì)90年代起在造船工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用堂淡。比如，德國(guó)的Meyer船廠(chǎng)和Blohm&Voss船廠(chǎng)扒腕，芬蘭的Odense Steel船廠(chǎng)绢淀，以及意大利的Fineantieri船廠(chǎng)率先在生產(chǎn)中使用了激光焊接技術(shù)。

傳統(tǒng)的激光焊接技術(shù)存在著一些固有的缺陷，比如對(duì)焊件裝配的精度要求高皆的，焊件間隙一般小于0.1mm覆履，熔池的搭橋能力差，同時(shí)由于工件表面的強(qiáng)烈反射影響了激光束能量向工件的傳遞祭务，熔池金屬的蒸發(fā)内狗、汽化、電離所形成光致等離子體也會(huì)嚴(yán)重影響焊接過(guò)程的穩(wěn)定性义锥，因此焊接過(guò)程中激光的實(shí)際能量利用率極低。這些問(wèn)題的存在限制了激光焊接的厚度和速度岩灭，影響了其在船用鋼板焊接中的使用范圍拌倍。激光一電弧復(fù)合焊接技術(shù)的開(kāi)發(fā)成功地彌補(bǔ)了單純激光焊接存在的不足。如圖4所示撰蕴，這種技術(shù)將激光和電弧兩種不同的熱源復(fù)合在一起京思，同時(shí)作用于同一加工位置，既充分發(fā)揮了兩種熱源各自的優(yōu)勢(shì)鳖灰，又相互彌補(bǔ)了各自的不足须涕。在焊接過(guò)程中，電弧的能量可以熔化工件表面和填充材料潦春，增加對(duì)激光的吸收率肚让，使激光能量穿透工件形成小孔，提高焊接的質(zhì)量材哺。采用激光-電弧復(fù)合焊接與單純激光焊接相比级嘀，同樣工藝參數(shù)下焊接速度可提高1倍，接頭熔深增大20％恨摩，而且對(duì)激光束品質(zhì)胖讶、焊件間隙及焊縫跟蹤精度的要求均大大降低。

圖4 激光-電弧復(fù)合焊技術(shù)原理示意圖

目前已開(kāi)發(fā)的激光-電弧復(fù)合焊技術(shù)主要有激光-MIG(MAG)復(fù)合焊屋嘉，激光-TIG復(fù)合焊斯娃，激光-GMAW復(fù)合焊等，這些技術(shù)很快在造船工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用院塞。如圖5所示遮晚，2002年，德國(guó)的Meyer船廠(chǎng)將激光-GMAW復(fù)合焊接技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)迫悠，配備了4個(gè)激光焊接工作站鹏漆，其中包括兩個(gè)可焊15mm厚鋼板(20 m長(zhǎng)×20 m寬)的對(duì)接焊工作站以及兩個(gè)可焊20 m長(zhǎng)12 mm厚鋼板的角焊工作站。德國(guó)的Kvaerner Warnow船廠(chǎng)和芬蘭的Kvaerner Masa船廠(chǎng)則將光纖傳輸?shù)腘d：YAG激光器與電弧焊設(shè)備組合成復(fù)合焊接系統(tǒng)创泄，然后改裝在原來(lái)的焊接機(jī)架上艺玲，用于造船生產(chǎn)。激光-電弧復(fù)合焊接作為一項(xiàng)全新的工藝技術(shù)，在船用鋼板焊接方面體現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)饭聚，尤其是它使熔接的搭橋能力得到加強(qiáng)忌警，最大的焊件間隙可以放寬至1mm，大大減小了船舶建造中焊前裝配的工作量和加工成本秒梳，而且適用范圍廣法绵、綜合加工能力強(qiáng)，可以提高工效酪碘，縮短作業(yè)時(shí)間熏萎，降低成本支出，因此具有非常好的應(yīng)用前景解夜。

圖5 Meyer船廠(chǎng)的激光焊接生產(chǎn)線(xiàn)

3 船用鋼板激光成形技術(shù)

激光成形(Laser Forming)技術(shù)是20世紀(jì)80年代中期在火焰成形技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)吃会，這項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)是利用發(fā)散的激光束作用在工件表面，加熱產(chǎn)生一定的熱應(yīng)力李狼，從而使工件發(fā)生可受控制的變形炊办。

如圖6所示，根據(jù)加工時(shí)光束掃描速度榆模、光斑大小何哎、入射功率以及材料吸收率的不同，可以將激光成形的機(jī)制分為3種：溫度梯度機(jī)制(Temperature Gradient Mechanism)积辞，翹曲機(jī)制(Buckling Mechanism)和縮短機(jī)制(Shortening Mechanism)拳笨。對(duì)于船用鋼板這類(lèi)厚度較大的鋼板，可以用溫度梯度機(jī)制(TGM)來(lái)解釋激光成形的過(guò)程侮夸。當(dāng)激光束沿工件表面掃描時(shí)茶壹，照射處被瞬間加熱至高溫狀態(tài)，在鋼板的厚度方向和激光掃描鄰近區(qū)域產(chǎn)生很大的溫度梯度揍庄。加熱區(qū)域的熱膨脹使鋼板產(chǎn)生背向激光束的反向彎曲咆蒿，由于受到未加熱區(qū)域的約束，而且加熱區(qū)域的屈服強(qiáng)度隨著溫度升高而下降蚂子，使材料發(fā)生塑性變形沃测，在鋼板的上表面產(chǎn)生材料堆積。隨著激光束的移動(dòng)食茎，被輻射區(qū)域溫度梯度減小蒂破，材料冷卻收縮，屈服強(qiáng)度和彈性模量均明顯升高别渔，塑性變形不能恢復(fù)附迷，于是又產(chǎn)生面向激光束的正向彎曲。通過(guò)設(shè)計(jì)激光掃描的路徑(點(diǎn)哎媚、直線(xiàn)喇伯、曲線(xiàn)等)喊儡，可以使鋼板發(fā)生二維或三維彎曲，實(shí)現(xiàn)鋼板的成形加工稻据。

圖6 激光彎曲成形技術(shù)原理示意圖

與傳統(tǒng)的鋼板成形加工技術(shù)(如鍛壓)相比艾猜，激光成形技術(shù)不需要外力和模具，屬于一種“無(wú)接觸式加工”霉枢，具有很大的生產(chǎn)柔性首冒，被認(rèn)為在造船工業(yè)領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。比如斑宴，激光成形技術(shù)可用于船體外殼鋼板的成形加工烙损，還可用于對(duì)產(chǎn)生變形或翹曲的鋼結(jié)構(gòu)件進(jìn)行準(zhǔn)直、矯正等等桐赠。不少企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)都圍繞著這些應(yīng)用開(kāi)展了相關(guān)的研究工作穆垦。目前激光成形技術(shù)還沒(méi)有真正應(yīng)用于船舶生產(chǎn)，但在實(shí)驗(yàn)室研究中已經(jīng)取得了不少有意義的研究成果涌粱。

英國(guó)利物浦大學(xué)的Watkins等人使用8 kW的CO2。激光器對(duì)5 mm厚的鋼板進(jìn)行了激光成形實(shí)驗(yàn)埃的，在激光功率1800 W侵选，掃描速度40 mm／s，光斑直徑6.5 mm愕匪，道間距20 mm的加工參數(shù)下盐儿，將800 mm×400 mm的鋼板加工成柱面弧形(如圖7(a)所示)，并采用類(lèi)似的工藝方法將1-5 mm厚的鋼板(400 mm×200 mm)加工成如圖7(b)所示的部件涮较。

美國(guó)海軍也非常重視激光成形技術(shù)的發(fā)展稠鼻，他們聯(lián)合了波音公司、麻省理工學(xué)院以及賓夕法尼亞州立大學(xué)等單位開(kāi)展軍用艦船外殼激光成形技術(shù)的研究狂票。在這個(gè)計(jì)劃的支持下候齿，賓夕法尼亞州立大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室成功地片用薄鋼板模擬加工出了軍艦外殼的一個(gè)部件，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了具有動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃能力的成形加工系統(tǒng)闺属。雖然激光成形技術(shù)的起步較晚慌盯，各項(xiàng)研究還不十分成熟，但是隨著理論研究的不斷深入和完善掂器，以及數(shù)值模擬技術(shù)和柔性光纖傳輸?shù)认嚓P(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展亚皂，激光成形技術(shù)作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中一種重要加工工藝必將在船用鋼板加工領(lǐng)域中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

圖7 鋼板的激光成形加工

4 結(jié)語(yǔ)

激光加工技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用国瓮，為船用鋼板的加工提供了更好灭必、更新、更快地加工手段乃摹，不僅提高了船廠(chǎng)的生產(chǎn)效率禁漓，而且促進(jìn)了船舶設(shè)計(jì)理念的轉(zhuǎn)變，從而大大加速了船舶工業(yè)的發(fā)展。然而穴眨，目前船用鋼板的激光切割扎瞧、激光焊接和激光成形等技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)主要還是集中在歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家料悟，這些國(guó)家的船廠(chǎng)也已經(jīng)大規(guī)模地引進(jìn)和使用激光加工設(shè)備草颤，建成了以激光切割和激光焊接為主的船用鋼板激光加工平臺(tái)。相比而言墙弛，我國(guó)對(duì)船用鋼板激光加工技術(shù)的研究工作較少捏表，研究水平同國(guó)外相比也有一定的差距，這不利于提高我國(guó)船用鋼板的加共水平降井，也不利于船用鋼板的開(kāi)發(fā)镊迟，難以適應(yīng)未來(lái)船舶建造的需求。因此隘吆，有必要結(jié)合國(guó)情推動(dòng)國(guó)內(nèi)相關(guān)研究工作的加速發(fā)展箭溜，使我國(guó)的船舶工業(yè)早日躋身世界一流行列。

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